一种带机械锁定功能的五自由度分时驱动助力机械臂的制作方法

[0001]
本发明涉及机器人自动化领域，更具体的说涉及一种带机械锁定功能的五自由度分时驱动助力机械臂。


背景技术：

[0002]
外肢体协作机械臂是一种不同于助残假肢与外骨骼机器人的新型机械臂。作为人类有限肢体的拓展与延伸，外肢体协作机械臂可以辅助人类完成仅靠双臂不可能完成的任务，在航空工业，军事工程，抢险作业下均有较为广泛的应用。在托举拧螺栓作业，高空悬挂作业等诸多需要多人配合作业的典型场景下，外肢体协作机械臂可以发挥极其重要的作用。世界各国针对外肢体协作机械臂的验证机器主要有美国麻省理工大学harry asada教授分别于2012年、2014年、2015年研发的协助钻孔外肢体协作机械臂与辅助支撑外肢体协作机械臂以及下肢支撑外肢体协作机械臂；日本庆应大学sasaki于2017年研制的腿部动作映射外肢体协作机械臂以及哈尔滨工业大学朱延河教授于2018年提出的变构型外肢体协作机械臂。而外肢体协作机械臂由于需要依附人体，其机械本体不能过重，因而限制了外肢体协作机械臂的驱动单元数量以及驱动单元功率上限。在有限的驱动单元数量以及有限输出功率下如何提升外肢体协作机械臂自由度以及最大出力值成为了必须解决的问题。目前学界对外肢体协作机械臂自锁节能与关节动力源分时驱动的研究较少，也并没有一台样机可以作为这方面的成熟案例。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种带机械锁定功能的五自由度分时驱动助力机械臂，通过伺服电机与减速器系统实现多关节大扭矩输出，通过分时动力导向切换系统实现四原动机分时控制五自由度的机械臂，通过棘轮机械锁定机构实现机器人特定关节支撑作业下机械自锁并获得极大静态负载能力，具有自重轻，高度灵活，低能耗，原动机需求少的特点。
[0004]
本发明解决上述技术问题的方案是：
[0005]
一种带机械锁定功能的五自由度分时驱动助力机械臂，包括关节一、关节二、关节三和中央分时驱动机构，所述关节一包括关节一伺服电机、关节一减速器和关节一交叉滚子轴承，所述关节一伺服电机的输出轴连接关节一减速的输入端，所述关节一减速器的输出端连接关节一交叉滚子轴承的内圈，所述关节二包括关节二支撑骨架、关节二伺服电机、关节二减速器、关节二安装支架，所述关节一交叉滚子轴承的内圈连接关节二支撑骨架，所述关节二伺服电机的输出轴连接关节二减速器的输入端，所述关节二减速器的输出端连接关节二安装支架，所述关节二伺服电机安装于关节二支撑骨架，所述中央分时驱动机构包括中央分时驱动机构接头、中央分时驱动机构电机、中央分时驱动机构减速器、中央机架、丝杠摩擦轮和分时驱动机构安装法兰体，所述中央分时驱动机构接头连接关节二安装支架，所述中央分时驱动机构电机安装于中央分时驱动机构接头，中央分时驱动机构电机的
输出轴连接中央分时驱动机构减速器的输入端，所述中央分时驱动机构减速器的输出端连接中央分时驱动机构减速器输出轴，所述中央分时驱动机构减速器输出轴可带动中央机架或丝杠摩擦轮旋转，所述丝杠摩擦轮与分时驱动机构安装法兰体螺纹配合，丝杠摩擦轮旋转带动分时驱动机构安装法兰体沿着中央机架的长度方向做直线运动，所述关节三包括关节三连接件、止动棘轮系统、关节三伺服电机、关节三减速器和关节三输出臂，所述关节三连接件连接分时驱动机构安装法兰体，所述止动棘轮系统包括棘轮和安装于关节三连接件的棘轮驱动舵机，所述棘轮驱动舵机输出连接棘爪，所述棘爪可配合对棘轮进行锁止，所述关节三伺服电机包括关节三伺服电机轴，所述关节三伺服电机轴连接关节三减速器的输入端，所述关节三减速器的输出端连接关节三输出臂，所述关节三输出臂连接棘轮，所述关节三输出臂连接有关节三输出杆。
[0006]
所述关节一减速器、关节二减速器和关节三减速器均为谐波减速器。
[0007]
所述关节一伺服电机的输出轴通过关节一联轴器连接关节一减速器的输入端，所述关节一减速器的输出端通过传动法兰连接关节一交叉滚子轴承的内圈。
[0008]
所述关节二还包括关节二编码器，所述关节二编码器包括关节二编码器轴，所述关节二编码器轴连接关节二安装支架。
[0009]
所述止动棘轮系统还包括舵机臂和弹性连杆，所述棘轮驱动舵机输出连接舵机臂，所述舵机臂通过弹性连杆连接棘爪。
[0010]
所述关节三还包括关节三编码器，所述关节三编码器的输出轴连接棘轮。
[0011]
所述中央分时驱动机构接头通过中央分时驱动机构交叉滚子轴承连接止动滑架，所述中央机架的一端部连接中央分时驱动机构交叉滚子轴承的转子，所述止动滑架内设有内摩擦轮，所述止动滑架内部一端安装有第一电磁线圈，所述内摩擦轮位于止动滑架内部另一端，内摩擦轮靠近第一电磁线圈的端面安装有第二电磁线圈和周向分布的内摩擦轮凸柱，所述第一电磁线圈和第二电磁线圈相配合，所述内摩擦轮凸柱外围插设弹簧，所述弹簧的两端分别抵住止动滑架内部一端和位于止动滑架内部另一端的内摩擦轮，所述中央机架包括中央机架摩擦凸体，所述内摩擦轮可抵住或脱离中央机架摩擦凸体。
[0012]
所述中央分时驱动机构减速器输出轴同步连接中央分时驱动机构滑块，所述中央分时驱动机构滑块的两端面分别安装有第四电磁线圈和第五电磁线圈，所述中央机架安装有与第四电磁线圈相配合的第三电磁线圈，所述第三电磁线圈和第四电磁线圈通电吸合时中央分时驱动机构滑块抵住中央机架，所述丝杠摩擦轮安装有与第五电磁线圈相配合的第六电磁线圈，所述第五电磁线圈和第六电磁线圈通电吸合时中央分时驱动机构滑块抵住丝杠摩擦轮。
[0013]
所述中央机架安装有丝杠摩擦轮支架，所述丝杠摩擦轮支架连接有摩擦轮端交叉滚子轴承，所述丝杠摩擦轮连接摩擦轮端交叉滚子轴承的外圈。
[0014]
所述中央机架包括中央机架摩擦槽，所述丝杠摩擦轮包括丝杠摩擦轮摩擦槽，所述中央分时驱动机构滑块的两端面分别设有滑块摩擦槽一和滑块摩擦槽二，所述第五电磁线圈和第六电磁线圈通电吸合时滑块摩擦槽一贴合抵入丝杠摩擦轮摩擦槽，所述第三电磁线圈和第四电磁线圈通电吸合时滑块摩擦槽二贴合抵入中央机架摩擦槽。
[0015]
本发明的突出效果是：通过摩擦轮接触对象可变的特性与电磁线圈快速作动的特性使伺服电机扭矩输出可分时切换到中央分时驱动机构的旋转运动关节与直线运动关节
上；通过舵机棘轮柔性卡死机构实现机械臂关节的可控自锁，实现电机没有输出功率的情况下关节输出大扭矩的特点；通过上述设计，显著减轻了相同自由度下与静态负载刚度情况下机械臂的自重，显著减小了人体在背负外肢体协作机械臂时的负担。
[0016]
1.采用电磁线圈与摩擦轮将单个电机减速器系统的扭矩分时导入到两个独立关节上，在减少原动机的同时保证了两个关节主动可控。
[0017]
2.通过采用舵机系统输出小扭矩推动带弹簧的平行四边形机构来抵住棘轮齿的方式来实现机械自锁，使驱动单元机械臂有较大的静态负载能力的同时减少消耗的能源。
[0018]
3.通过高功率密度伺服电机与精密谐波减速器系统搭配高精度光栅绝对值编码器与精密磁编码器实现关节的高精度控制。
附图说明
[0019]
图1为本发明的立体图；
[0020]
图2为本发明的关节一的立体图；
[0021]
图3为本发明的关节一的剖视图；
[0022]
图4为本发明的关节一的爆炸图；
[0023]
图5为本发明的关节二的立体图；
[0024]
图6为本发明的关节二的剖视图；
[0025]
图7为本发明的关节二的爆炸图；
[0026]
图8为本发明的中央分时驱动总成的立体图；
[0027]
图9为图8中a处的放大图；
[0028]
图10为本发明的中央分时驱动总成的剖视图；
[0029]
图11为图10中b处的放大图；
[0030]
图12为本发明的中央分时驱动总成的爆炸图；
[0031]
图13为本发明的中央分时驱动总成的局部爆炸图；
[0032]
图14为本发明的关节三的立体图；
[0033]
图15为本发明的关节三的爆炸图；
[0034]
图16为本发明的止动棘轮系统的示意图；
[0035]
图17为本发明的关节三的剖视图。
[0036]
图中：关节一1、关节一伺服电机10、关节一减速器11、传动法兰12、下法兰120、上法兰121、关节一交叉滚子轴承13、关节一连接板14、关节一编码器15、磁环部150、读头pcb部151、关节一连接件16、关节一联轴器17、关节一固定法兰18、关节二2、关节二支撑骨架20、骨架环部201、关节二伺服电机21、关节二减速器22、关节二安装支架23、关节二编码器24、关节二编码器支撑板240、关节二编码器轴241、关节二安装支架连接头25、关节二固定法兰26、关节三3、舵机安装盒30、关节三连接件31、关节三输入连接件310、止动棘轮系统32、棘轮320、棘轮驱动舵机321、舵机臂322、弹性连杆323、棘爪安装支架324、棘爪325、关节三安装支架33、关节三伺服电机34、关节三伺服电机轴340、关节三减速器341、关节三输出臂342、关节三法兰343、关节三输出杆344、关节三编码器支架35、关节三编码器350、中央分时驱动机构4、中央分时驱动机构接头40、中央分时驱动机构电机400、中央分时驱动机构减速器401、中央分时驱动机构交叉滚子轴承402、中央分时驱动机构减速器输出轴403、分时
驱动机构安装法兰体41、丝杠摩擦轮42、摩擦轮端交叉滚子轴承420、丝杠摩擦轮支架421、丝杠摩擦轮摩擦槽422、中央机架43、中央机架摩擦凸体430、中央机架摩擦槽431、内摩擦轮44、第一电磁线圈440、第二电磁线圈441、弹簧442、内摩擦轮凸柱443、内摩擦轮摩擦体444、中央分时驱动机构滑块45、第三电磁线圈450、第四电磁线圈451、第五电磁线圈452、第六电磁线圈453、滑块摩擦槽一454、滑块摩擦槽二455、止动滑架46、止动滑架一460、止动滑架二461。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
[0038]
实施例1：
[0039]
如图1-17所示，一种带机械锁定功能的五自由度分时驱动助力机械臂，包括关节一1、关节二2、关节三3和中央分时驱动机构4，所述关节一1包括关节一伺服电机10、关节一减速器11和关节一交叉滚子轴承13，所述关节一伺服电机10的输出轴连接关节一减速器11的输入端，所述关节一减速器11的输出端连接关节一交叉滚子轴承13的内圈，所述关节一减速器11为谐波减速器，所述关节一伺服电机10的输出轴通过关节一联轴器17连接关节一减速器11的输入端(即关节一减速器11的椭圆轮)，所述关节一减速器11的输出端通过传动法兰12连接关节一交叉滚子轴承13的内圈。关节一伺服电机10的输出轴插入关节一联轴器17并由顶丝固定，关节一伺服电机10与关节一减速器11通过关节一固定法兰18相连接，关节一伺服电机10与关节一减速器11的外壳连接。
[0040]
传动法兰12包括上下插接在一起且同步旋转的下法兰120和上法兰121，其中下法兰120连接关节一减速器11的输出端，上法兰121连接关节一交叉滚子轴承13的内圈。
[0041]
关节一交叉滚子轴承13的外圈固定于关节一连接板14，关节一1包括关节一编码器15和关节一连接件16，关节一编码器15包括磁环部150和读头pcb部151，磁环部150固定于下法兰120，读头pcb部151固定于关节一连接件16，关节一交叉滚子轴承13的外圈、关节一连接板14、关节一连接件16和关节一减速器11(具体为关节一减速器11的外壳)连接在一起。
[0042]
所述关节二2包括关节二支撑骨架20、关节二伺服电机21、关节二减速器22、关节二安装支架23，所述关节一交叉滚子轴承13的内圈连接关节二支撑骨架20，即关节一伺服电机10输出的扭矩经过关节一减速器11后再经过传动法兰12传送到关节一交叉滚子轴承13的内圈和关节二支撑骨架20。
[0043]
所述关节二伺服电机21的输出轴连接关节二减速器22的输入端，所述关节二减速器22的输出端连接关节二安装支架23，关节二减速器22为谐波减速器。所述关节二伺服电机21安装于关节二支撑骨架20，即关节二伺服电机21输出的扭矩经过关节二减速器22后再输入到关节二安装支架23。
[0044]
所述关节二2还包括关节二编码器24，所述关节二编码器24包括关节二编码器轴241，所述关节二编码器轴241连接关节二安装支架23。关节二编码器24安装于关节二编码器支撑板240，关节二编码器支撑板240固定连接于关节二支撑骨架20。关节二编码器24的d型轴插入关节二安装支架23的d型孔。
[0045]
关节二支撑骨架20包括一个骨架环部201，关节二伺服电机21安装于关节二固定
法兰26，关节二固定法兰26、关节二减速器22、骨架环部201连接在一起。关节二安装支架23的一端连接有关节二安装支架连接头25。
[0046]
所述中央分时驱动机构4包括中央分时驱动机构接头40、中央分时驱动机构电机400、中央分时驱动机构减速器401、中央机架43、丝杠摩擦轮42和分时驱动机构安装法兰体41，所述中央分时驱动机构接头40连接关节二安装支架23，实际为中央分时驱动机构接头40连接关节二安装支架连接头25。
[0047]
所述中央分时驱动机构电机400安装于中央分时驱动机构接头40，中央分时驱动机构电机400的输出轴连接中央分时驱动机构减速器401的输入端，中央分时驱动机构减速器401也安装于中央分时驱动机构接头40。所述中央分时驱动机构减速器401的输出端连接中央分时驱动机构减速器输出轴403，所述中央分时驱动机构减速器输出轴403可带动中央机架43或丝杠摩擦轮42旋转，所述丝杠摩擦轮42与分时驱动机构安装法兰体41螺纹配合，丝杠摩擦轮42旋转带动分时驱动机构安装法兰体41沿着中央机架43的长度方向做直线运动。
[0048]
所述中央分时驱动机构接头40通过中央分时驱动机构交叉滚子轴承402连接止动滑架46，止动滑架46有两个半圆形的止动滑架一460和止动滑架二461连接而成。中央分时驱动机构接头40、止动滑架一460和止动滑架二461均连接于中央分时驱动机构交叉滚子轴承402的外圈。
[0049]
所述中央机架43的一端部连接中央分时驱动机构交叉滚子轴承402的转子(即中央分时驱动机构交叉滚子轴承402的内圈)，所述止动滑架46内设有内摩擦轮44，所述止动滑架46内部一端安装有第一电磁线圈440，所述内摩擦轮44位于止动滑架46内部另一端，内摩擦轮44靠近第一电磁线圈440的端面安装有第二电磁线圈441和周向分布的内摩擦轮凸柱443，所述第一电磁线圈440和第二电磁线圈441相配合，本申请中，第三电磁线圈450和第四电磁线圈451相配合，第五电磁线圈452和第六电磁线圈453相配合，两个相配合的电磁线圈通过控制电流方向可使其产生吸力或斥力，即两个相配合的电磁线圈相互吸合或相互排斥，这是电磁线圈的现有技术，在此不作详细介绍。
[0050]
所述内摩擦轮凸柱443外围插设弹簧442，所述弹簧442的两端分别抵住止动滑架46内部一端和位于止动滑架46内部另一端的内摩擦轮44，所述中央机架43包括中央机架摩擦凸体430，所述内摩擦轮44可抵住或脱离中央机架摩擦凸体430。即第一电磁线圈440和第二电磁线圈441相吸合时，内摩擦轮44不接触中央机架摩擦凸体430，第一电磁线圈440和第二电磁线圈441相互排斥时，辅以弹簧442的作用力，内摩擦轮44抵住中央机架摩擦凸体430。内摩擦轮44包括内摩擦轮摩擦体444，在弹簧442的作用力下，内摩擦轮摩擦体444可抵住中央机架摩擦凸体430。
[0051]
所述中央分时驱动机构减速器输出轴403同步连接中央分时驱动机构滑块45，中央分时驱动机构滑块45带有键槽孔，中央分时驱动机构减速器输出轴403带有可配合伸入键槽孔的键，中央分时驱动机构滑块45可沿着该中央分时驱动机构减速器输出轴403的键滑动且中央分时驱动机构减速器输出轴403的输出扭矩可以传递到中央分时驱动机构滑块45。
[0052]
所述中央分时驱动机构滑块45的两端面分别安装有第四电磁线圈451和第五电磁线圈452，所述中央机架43安装有与第四电磁线圈451相配合的第三电磁线圈450，所述第三
电磁线圈450和第四电磁线圈451通电吸合时中央分时驱动机构滑块45抵住中央机架43，所述丝杠摩擦轮42安装有与第五电磁线圈452相配合的第六电磁线圈453，所述第五电磁线圈452和第六电磁线圈453通电吸合时中央分时驱动机构滑块45抵住丝杠摩擦轮42。
[0053]
所述中央机架43包括中央机架摩擦槽431，所述丝杠摩擦轮42包括丝杠摩擦轮摩擦槽422，所述中央分时驱动机构滑块45的两端面分别设有滑块摩擦槽一454和滑块摩擦槽二455，所述第五电磁线圈452和第六电磁线圈453通电吸合时滑块摩擦槽一454贴合抵入丝杠摩擦轮摩擦槽422，所述第三电磁线圈450和第四电磁线圈451通电吸合时滑块摩擦槽二455贴合抵入中央机架摩擦槽431。
[0054]
当第一电磁线圈440和第二电磁线圈441吸合，内摩擦轮摩擦体444脱离中央机架摩擦凸体430，中央机架43转动无障碍，此时第三电磁线圈450和第四电磁线圈451吸合，第五电磁线圈452和第六电磁线圈453相互排斥，中央分时驱动机构滑块45抵住中央机架43，中央分时驱动机构电机400通过中央分时驱动机构减速器401输出的扭矩传递到中央机架43，使得中央机架43绕着中央分时驱动机构减速器输出轴403旋转运动。
[0055]
当第一电磁线圈440和第二电磁线圈441相互排斥，内摩擦轮摩擦体444抵住中央机架摩擦凸体430，这样中央机架43不能旋转，第三电磁线圈450和第四电磁线圈451相互排斥，第五电磁线圈452和第六电磁线圈453吸合，中央分时驱动机构滑块45抵住丝杠摩擦轮42，中央分时驱动机构电机400通过中央分时驱动机构减速器401输出的扭矩传递到丝杠摩擦轮42，丝杠摩擦轮42的旋转带动分时驱动机构安装法兰体41沿着中央机架43的长度方向做直线运动。
[0056]
这样可以实现通过单个中央分时驱动机构电机400的动力源分时控制两个自由度的功能。
[0057]
所述中央机架43安装有丝杠摩擦轮支架421，所述丝杠摩擦轮支架421连接有摩擦轮端交叉滚子轴承420，所述丝杠摩擦轮42连接摩擦轮端交叉滚子轴承420的外圈，摩擦轮端交叉滚子轴承420的内圈连接于丝杠摩擦轮支架421。
[0058]
所述关节三3包括关节三连接件31、止动棘轮系统32、关节三伺服电机34、关节三减速器341和关节三输出臂342，所述关节三连接件31连接分时驱动机构安装法兰体41，所述关节三伺服电机34包括关节三伺服电机轴340，所述关节三伺服电机轴340连接关节三减速器341的输入端，所述关节三减速器341的输出端连接关节三输出臂342，关节三减速器341为谐波减速器。关节三伺服电机34安装于关节三法兰343，关节三法兰343连接于关节三安装支架33，关节三安装支架33为l型，关节三安装支架33一侧连接关节三法兰343，关节三安装支架33另一侧连接关节三输入连接件310，关节三输入连接件310与关节三连接件31固定连接。关节三伺服电机34输出的扭矩经过关节三减速器341后输入到关节三输出臂342，所述关节三输出臂342连接有关节三输出杆344。
[0059]
关节三连接件31穿过舵机安装盒30且两者固定连接，舵机安装盒30安装有棘轮驱动舵机321。
[0060]
所述止动棘轮系统32包括棘轮320和安装于关节三连接件31的棘轮驱动舵机321，所述棘轮驱动舵机321输出连接棘爪325，所述棘爪325可配合对棘轮320进行锁止。所述止动棘轮系统32还包括舵机臂322和弹性连杆323，所述棘轮驱动舵机321输出连接舵机臂322，棘轮驱动舵机321的输出轮通过花键连接舵机臂322，所述舵机臂322通过弹性连杆323
连接棘爪325。棘爪325安装于棘爪安装支架324，棘爪安装支架324固定于关节三安装支架33的一端面，棘爪325可以在棘爪安装支架324上转动。所述关节三输出臂342连接棘轮320。
[0061]
舵机臂322、弹性连杆323、棘爪325、棘爪安装支架324形成了平行四边形机构，舵机臂322的转动可以转换为棘爪325的转动，在需要将关节三3锁紧时，棘轮驱动舵机321转动带动舵机臂322，压缩内部带有弹簧的弹性连杆323，在棘轮320转动到合适角度后，弹性连杆323将棘爪325压入棘轮320的凹槽，利用机械自锁卡死关节三输出臂342。当需要解除锁定时，棘轮驱动舵机321输出轴朝反方向转动，带动舵机臂322转动，拉伸内部带有弹簧的弹性连杆323，同时关节三输出臂342朝反方向转动，被拉伸的弹性连杆323带着棘爪325脱离棘轮320，实现关节三3重新自由活动。
[0062]
弹性连杆323由左右两半部分外壳，与前后两边的连杆，以及弹簧组成，组装时将前后两边的连杆放入弹性连杆323的左半边壳体，并将弹簧放入其中，最后合上弹性连杆323的右半边壳体，并进行合模完成。
[0063]
所述关节三3还包括关节三编码器350，所述关节三编码器350的输出轴连接棘轮320。关节三编码器350安装于关节三编码器支架35，关节三编码器支架35为l型，关节三编码器支架35一侧连接关节三编码器350，关节三编码器支架35另一侧连接关节三输入连接件310。关节三编码器350的d型轴插入关节三输出臂342的d型孔。
[0064]
即关节三连接件31、关节三输入连接件310、关节三编码器支架35和关节三安装支架33连接在一起。
[0065]
本实施例中，关节一伺服电机10的输出轴方向与关节二伺服电机21的输出轴方向垂直，关节二伺服电机21通过关节一交叉滚子轴承13可在关节一伺服电机10的输出轴的径向面旋转，中央分时驱动机构4的中心轴线与关节二伺服电机21的输出轴方向垂直，中央分时驱动机构4通过关节二安装支架23可在关节二伺服电机21的输出轴的径向面旋转，中央机架43可绕中央分时驱动机构4的中心轴线旋转，分时驱动机构安装法兰体41可沿着中央分时驱动机构4的中心轴线移动，即关节三3可绕中央分时驱动机构4的中心轴线旋转，关节三3也可沿着中央分时驱动机构4的中心轴线移动，关节三输出杆344的中心线与关节三伺服电机轴340的中心线垂直，关节三输出杆344通过关节三输出臂342可在关节三伺服电机轴340的径向面旋转。
[0066]
以上实施例仅用于说明本发明，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。